H-ADCP在后峡水文站河道流量监测中的应用

黄 超

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐83000）

1 项目区概况

乌鲁木齐是新疆自治区的经济、政治、文化中心，其地势三面环山，山地面积占总面积50%以上，由东南向西北逐步降低。乌鲁木齐河是乌市的“母亲河”，主要补给形式为冰雪融水和降雨，因此洪水主要分为冰雪融水型和暴雨型，汛期一般为5～8月，多年平均径流量1.12亿m3，最大洪峰127m3/s。该河供应了乌鲁木齐市30%的城市用水，同时汛期占据洪峰总量的50%，因此加强乌鲁木齐河上游河道流量监控，对下游乌鲁木齐市应对暴雨洪灾、建设水利设施意义重大。

2 H-ADPC河道水文自动监测系统原理

H-ADCP（水平式声学多普勒流速剖面仪）系统其原理是根据声波频率在移向观察者和远离观察者时变高和变低，以此利用多普勒频移原理测量水体流速。在适当位置安扎装换能器，其既能发射信号又能接收信号，每个换能器都有自己固定的信号频率，避免相互干扰，然后信号在被水中颗粒物散（默认与水速一致）射回后再被接收。每个换能器根据发出和接收信号的频率变化计算出其差值，如式（1）［1］。

式中 Fd为声学多普勒频移 （kHz）；F为发射波频率（kHz）；V为颗粒物沿声束方向的移动速度（m/s）；C为声波在水中的传播速度（m/s）。

H-ADCP采用“指标流速法”对河流断面进行监测，即由局部流速估算断面平均流速。为使结果精确，一般需测出不同水位下流量和断面面积。由于某些区域（岸边、死水边）等监测盲区，本文采用计算法来估算区域的水速，流速系数如表1［2］。

表1 各类岸边流速系数参考值

3 H-ADPC河道水文自动监测系统应用

3.1 后峡水文站及H-ADPC系统安装要点

3.1.1 后峡水文站概况

后峡水文站是乌鲁木齐河的上游控制站，同时也是天山北坡径流试验基地，集水面积381km2，河长33.9km，该水文站测验河段顺直，水流集中，断面稳定，可满足高中低水位的水文测验要求，其断面以上流域的各监测点水文信息是否够能准确测量并传递，对于乌市防汛指挥有直接影响，因此其地理位置至关重要。但作为区域代表站，后峡水文站汛期降水丰富，山洪频发，且交通不便，因此人工监测流量难度大［3］。

3.1.2 H-ADPC系统安装要点

3.1.2.1 H-ADCP仪技术参数

根据后峡水文站特点，乌鲁木齐市水文局于2015年10月配备了美国SonTek公司SL500kHz型俯视式H-ADCP，具体技术参数如表2。

表2 SL500kHz型俯视式H-ADCP技术参数

3.1.2.2 H-ADCP仪安装要点

后峡水文站河道为山区性河道，河道断面近似于“V型”，H-ADCP系统安装时，其安装位置断面河床要求冲淤变化小，河道顺直，主流稳定，两岸边坡不可有崩塌危险。为了能够使仪器的光波束尽量覆盖整个主流区域，设计在水中安设1根镀锌管桩，将H-ADCP仪探头安设在管桩上如图1［4］。

图1 H-ADCP仪安装位置

为保证测试仪器整体处于水平状态，同时中心轴线与水流方向垂直，本项目调设仪器纵摇角度为-1.2°，横摇角度为0.8°；为减少靠近岸边的紊乱水流对测试结果的影响，将仪器盲区设置为2.5m，即波束的测量开始距离为2.5m。同时由于波束在超过38m时出现不稳定情况，则本项目将波束结束测量距离设定38m［5］。

3.2 后峡水文站H-ADCP系统流量测验

3.2.1 H-ADCP系统精度

为验证H-ADCP系统的精度是否符合要求，后峡水文站将H-ADCP系统2017年统计结果与人工测量数据进行比对，待验证合格后再将整套系统投入使用，数据结果如表3。结果可知，H-ADCP系统测量偏差范围保持在±8%以下，测量精度满足使用要求。

表3 H-ADCP系统与实测数据对比 单位：m3/s

3.2.2 H-ADCP系统测量结果

后峡水文站的H-ADCP系统总体构成如图2［6］。测量数据测得从传输到终端仅需要数秒钟便可完成。该系统具有简单、快捷、全天候、高精度等优点。

图2 后峡水文站H-ADCP系统

本项目系统测量通过2018年全年使用考验未出现较大变化，汛期的时间和洪峰流量与2017年基本一致，由此可见，H-ADCP系统测量的数据完全可用于洪水灾害防治参考。

4 结语

（1）乌鲁木齐河后峡水文站通过引进H-ADCP系统，实现了河道流量自动化监测，应用效果显示良好。

（2）H-ADCP系统调试和安装是核心工程，前期必须紧密结合人工测量数据对系统进行修正。否则会出现测量偏差。